a Effizienz und Leistung weiter zunehmen, werden Laserdioden weiterhin traditionelle Technologien ersetzen, den Umgang mit Dingen verändern und die Entstehung neuer Dinge stimulieren.

Traditionell glauben Ökonomen, dass der technologische Fortschritt ein allmählicher Prozess ist. In letzter Zeit hat sich die Branche mehr auf disruptive Innovationen konzentriert, die Diskontinuitäten verursachen können. Diese Innovationen, die als Allzweck-Technologien (GPTs) bekannt sind, sind "neue Ideen oder Technologien, die viele Aspekte der Wirtschaft stark beeinflussen können". Die Entwicklung von Technologien für allgemeine Zwecke dauert in der Regel Jahrzehnte und kann sogar noch länger zu Produktivitätssteigerungen führen. Zunächst waren sie nicht gut verstanden, und selbst nach der Vermarktung der Technologie gab es eine langfristige Verzögerung bei der Produktionsaufnahme. Integrierte Schaltungen sind ein gutes Beispiel. Transistoren wurden zuerst im frühen 20. Jahrhundert eingeführt, aber sie wurden bis spät in den Abend weit verbreitet.

Gordon Moore, einer der Gründer von Moore‘s Law, prophezeite 1965, dass sich Halbleiter schneller entwickeln würden, "die Popularität der Elektronik erhöhen und diese Wissenschaft in viele neue Bereiche drängen". Trotz seiner kühnen und überraschend genauen Vorhersagen hat er sich in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich verbessert, bevor er Produktivität und Wirtschaftswachstum erreichte.

In ähnlicher Weise ist das Verständnis für die dramatische Entwicklung von Hochleistungshalbleiterlasern begrenzt. 1962 demonstrierte die Industrie zum ersten Mal die Umwandlung von Elektronen in Laser, gefolgt von einem großen Fortschritt, die alle zu signifikanten Verbesserungen bei der Umwandlung von Elektronen in Hochleistungslaser führten. Diese Verbesserungen können eine Reihe wichtiger Anwendungen unterstützen, einschließlich optischer Speicher, optischer Netzwerke und einer breiten Palette industrieller Anwendungen.

Unter Hinweis auf diese Entwicklungen und die zahlreichen Verbesserungen, die sie ans Licht gebracht haben, wurde die Möglichkeit einer stärkeren und umfassenderen Auswirkung auf viele Aspekte der Wirtschaft hervorgehoben. Mit der kontinuierlichen Verbesserung von Hochleistungshalbleiterlasern wird der Umfang wichtiger Anwendungen zunehmen und tiefgreifende Auswirkungen auf das Wirtschaftswachstum haben.

Hochleistungs-Halbleiter-Laser-Geschichte

Am 16. September 1962 demonstrierte ein Team um Robert Hall von General Electric die Infrarotemission von Galliumarsenid (GaAs) -Halbleitern, die "seltsame" Interferenzmuster aufweisen, was Kohärenz bedeutet Laser - Die Geburt des ersten Halbleiterlasers. Hall dachte ursprünglich, dass der Halbleiterlaser eine "Langstrecke" sei, weil die LEDs zu dieser Zeit sehr ineffizient waren. Gleichzeitig war er auch skeptisch, denn die Laser, die vor zwei Jahren bestätigt wurden und existierten, brauchten bereits einen "feinen Spiegel".

Im Sommer 1962 sagte Hall, er sei von den effizienteren GaAs-LEDs des MIT Lincoln Laboratory schockiert. Anschließend sagte er, dass er das Glück hatte, mit einigen hochwertigen GaAs-Materialien testen zu können und seine Erfahrung als Amateurastronom zu nutzen, um ein Verfahren zu entwickeln, um die Kanten von GaAs-Chips zu polieren, um einen Hohlraum zu bilden.

Halls erfolgreiche Demonstration basiert auf dem Design von Strahlung, die an der Grenzfläche hin und her reflektiert wird, anstatt vertikal zu prellen. Er sagte bescheiden, dass "niemand zufällig auf diese Idee gekommen ist". In der Tat ist Halls Entwurf im Wesentlichen eine glückliche Übereinstimmung, dass das Halbleitermaterial, das den Wellenleiter bildet, auch die Eigenschaft hat, bipolare Träger gleichzeitig zu begrenzen. Ansonsten ist es unmöglich, einen Halbleiterlaser zu realisieren. Durch Verwendung von unterschiedlichen Halbleitermaterialien kann ein Plattenwellenleiter gebildet werden, um Photonen mit Trägern zu überlappen.

Diese vorläufigen Demonstrationen bei General Electric sind ein großer Durchbruch. Diese Laser sind jedoch weit entfernt von praktischen Vorrichtungen.Um die Geburt von Hochleistungshalbleiterlasern zu fördern, muss eine Fusion verschiedenerTechnologien realisiert werden. Schlüsseltechnologische Innovationen begannen mit einem Verständnis von Halbleitermaterialien mit direktem Bandabstand und Kristallwachstumstechniken.

Spätere Entwicklungen beinhalteten die Erfindung von Doppel-Heterojunction-Lasern und die anschließende Entwicklung von Quantenwell-Lasern. Der Schlüssel zur weiteren Verbesserung dieser Kerntechnologien liegt in der Verbesserung der Effizienz und der Entwicklung von Hohlraumpassivierung, Wärmeabfuhr und Verpackungstechnologie.

Helligkeit

Die Innovation der letzten Jahrzehnte hat zu aufregenden Verbesserungen geführt. Insbesondere ist die Helligkeitsverbesserung ausgezeichnet. Im Jahr 1985 konnte der hochmoderne Hochleistungshalbleiterlaser 105 Milliwatt Leistung in eine Kernfaser von 105 Mikrometer einkoppeln. Hochmoderne Hochleistungs-Halbleiterlaser können jetzt mehr als 250 Watt an 105-Mikrometer-Fasern mit einer einzigen Wellenlänge produzieren - eine Verzehnfachung alle acht Jahre.

Moore dachte daran, "mehr Komponenten an die integrierte Schaltung zu binden" - dann wurde die Anzahl der Transistoren pro Chip alle 7 Jahre um das Zehnfache erhöht. Zufälligerweise enthalten Hochleistungshalbleiterlaser mehr Photonen mit ähnlichen Exponentialgeschwindigkeiten in der Faser (siehe 1).

Abbildung 1. Helligkeit von Hochleistungshalbleitern und Vergleich mit dem Mooreschen Gesetz

Die Verbesserung der Helligkeit von Hochleistungshalbleiterlasern hat die Entwicklung verschiedener unvorhergesehener Technologien gefördert. Obwohl die Fortsetzung dieses Trends mehr Innovation erfordert, gibt es Grund zu der Annahme, dass die Innovation der Halbleiterlasertechnologie noch lange nicht abgeschlossen ist. Die bekannte Physik kann die Leistungsfähigkeit von Halbleiterlasern durch kontinuierliche technologische Entwicklung weiter verbessern.

Zum Beispiel können Quantenpunktverstärkungsmedien die Effizienz im Vergleich zu derzeitigen Quantentrogvorrichtungen signifikant erhöhen. Die langsame Achsenhelligkeit bietet ein weiteres Verbesserungspotential für die Größenordnung. Neue Verpackungsmaterialien mit verbesserter Wärme- und Expansionsanpassung bieten die Verbesserungen, die für eine kontinuierliche Leistungsanpassung und ein vereinfachtes Wärmemanagement erforderlich sind. Diese wichtigen Entwicklungen werden eine Roadmap für die Entwicklung von Hochleistungshalbleiterlasern in den kommenden Jahrzehnten liefern.

Diodengepumpte Festkörper- und Faserlaser

Verbesserungen bei Hochleistungshalbleiterlasern haben die Entwicklung nachgeschalteter Lasertechnologien ermöglicht, in den nachgeschalteten Lasertechnologien werden Halbleiterlaser zum Anregen (Pump) von dotierten Kristallen (diodengepumpte Festkörperlaser) oder dotierten Fasern (Faserlaser) eingesetzt.

Obwohl Halbleiterlaser eine hocheffiziente, kostengünstige Laserenergie bereitstellen, gibt es zwei wesentliche Einschränkungen: Sie speichern keine Energie und ihre Helligkeit ist begrenzt. Grundsätzlich werden diese beiden Laser für viele Anwendungen benötigt: eine für die Umwandlung von Elektrizität in Laseremission und die andere für die Erhöhung der Helligkeit der Laseremission.

Diodengepumpter Festkörperlaser. In den späten 1980er Jahren begann die Verwendung von Halbleiterlasern zum Pumpen von Festkörperlasern in kommerziellen Anwendungen an Popularität zu gewinnen. Diodengepumpte Festkörperlaser (DPSSL) haben die Größe und Komplexität von Wärmemanagementsystemen (hauptsächlich Zirkulationskühler) stark reduziert und Module erhalten, die traditionell Bogenlampen zum Pumpen von Festkörperlaserkristallen kombiniert haben.

Die Wahl der Halbleiterlaserwellenlängen basiert auf ihrer Überlappung mit den spektralen Absorptionseigenschaften des Festkörperlaserverstärkungsmediums, wobei die thermische Belastung im Vergleich zu dem Breitbandemissionsspektrum der Bogenlampe stark reduziert ist. Aufgrund der Beliebtheit von 1064 nm Germanium-basierten Lasern ist die 808 nm Pumpwellenlänge die größte Wellenlänge in Halbleiterlasern seit mehr als 20 Jahren.

Die zweite Generation verbesserter Diodenpumpleistung wird mit der erhöhten Helligkeit von Multimode-Halbleiterlasern und der Fähigkeit erreicht, schmale Emissionslinienbreiten mit Volumen-Bragg-Gittern (VBGs) in der Mitte von 2000 zu stabilisieren. Die schwächeren und schmaleren spektralen Absorptionseigenschaften um 880 nm sind zum Forschungsschwerpunkt von Pumpdioden mit hoher Helligkeit geworden, die eine spektrale Stabilität erreichen können. Diese leistungsfähigeren Laser können das obere Niveau 4F3 / 2 des Lasers direkt in Silizium anregen, wodurch Quantendefekte reduziert werden, wodurch die Extraktion von höherdurchschnittlichen fundamentalen Moden verbessert wird, die ansonsten durch thermische Linsen begrenzt wären.

Zu Beginn des Jahres 2010 haben wir den Trend der hohen Leistungsskalierung von Single-Transversal-Mode-1064-nm-Lasern und verwandten Serien von Frequenzkonversionslasern beobachtet, die im sichtbaren und ultravioletten Bereich arbeiten. Aufgrund der langen Lebensdauer von Nd: YAG und Nd: YVO4 bieten diese DPSSL-Q-Schaltvorgänge eine hohe Pulsenergie und Spitzenleistung, was sie ideal für ablative Materialbearbeitung und hochpräzise Mikrobearbeitungsanwendungen macht.

Faserlaser. Faserlaser bieten eine effizientere Möglichkeit, die Helligkeit von Hochleistungshalbleiterlasern zu konvertieren. Obwohl Wellenlängenmultiplex-Optiken einen Halbleiterlaser mit relativ geringer Luminanz in einen helleren Halbleiterlaser umwandeln können, geht dies auf Kosten einer erhöhten spektralen Breite und optomechanischen Komplexität. Faserlaser haben sich als besonders effektiv bei der photometrischen Umwandlung erwiesen.

Die in den 1990er Jahren eingeführten doppelt ummantelten Fasern verwenden Singlemode-Fasern, die von einer Multimode-Ummantelung umgeben sind, wodurch leistungsfähigere, kostengünstigere Multimoden-Halbleiter-gepumpte Laser effizient in die Faser injiziert werden können, wodurch mehr erzeugt wird Ein wirtschaftlicher Weg, um einen Hochleistungshalbleiterlaser in einen helleren Laser umzuwandeln. Für mit Ytterbium (Yb) dotierte Fasern regt die Pumpe eine breite Absorption an, die bei 915 nm zentriert ist, oder ein Schmalbandmerkmal bei 976 nm. Wenn sich die Pumpwellenlänge der Laserwellenlänge des Faserlasers nähert, werden sogenannte Quantenfehler reduziert, wodurch die Effizienz maximiert wird und die Menge der Wärmeableitung minimiert wird.

Sowohl Faserlaser als auch diodengepumpte Festkörperlaser beruhen auf Verbesserungen der Diodenlaserhelligkeit. Da sich die Helligkeit von Diodenlasern weiter verbessert, nimmt im allgemeinen der Anteil der Laserleistung, die sie pumpen, ebenfalls zu. Die erhöhte Helligkeit von Halbleiterlasern ermöglicht eine effizientere Helligkeitskonversion.

Wie wir erwarten würden, wird räumliche und spektrale Helligkeit für zukünftige Systeme notwendig sein, die ein Pumpen mit geringem Quantenfehler mit engen Absorptionseigenschaften in Festkörperlasern und dichtes Wellenlängenmultiplexen für direkte Halbleiterlaseranwendungen ermöglichen. Der Plan wird möglich.

Markt und Anwendung

Die Entwicklung von Hochleistungshalbleiterlasern hat viele wichtige Anwendungen möglich gemacht. Diese Laser haben viele traditionelle Technologien ersetzt und neue Produktkategorien erreicht.

Mit einem 10-fachen Anstieg der Kosten und der Leistung pro Jahrzehnt unterbrechen Hochleistungs-Halbleiterlaser den normalen Betrieb des Marktes auf unvorhersehbare Weise. Obwohl es schwierig ist, zukünftige Anwendungen genau vorherzusagen, ist es sehr wichtig, die Entwicklungsgeschichte der letzten drei Jahrzehnte zu überprüfen und Rahmenbedingungen für die Entwicklung des nächsten Jahrzehnts zu schaffen (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2. Hochleistungs-Halbleiterlaser-Helligkeitsbrennstoffanwendung (Normierungskosten pro Watt Helligkeit)

1980er Jahre: Optischer Speicher und erste Nischenanwendungen. Optischer Speicher ist die erste groß angelegte Anwendung in der Halbleiterlaserindustrie. Kurz nachdem Hall zunächst den Infrarot-Halbleiterlaser zeigte, zeigte Nick Holonyak von General Electric auch den ersten sichtbaren roten Halbleiterlaser. Zwanzig Jahre später wurden Compact Discs (CDs) auf den Markt gebracht, gefolgt vom optischen Speichermarkt.

Die ständige Innovation der Halbleiterlasertechnologie hat zur Entwicklung von optischen Speichertechnologien wie Digital Versatile Disc (DVD) und Blu-ray Disc (BD) geführt. Dies ist der erste große Markt für Halbleiterlaser, aber im Allgemeinen beschränken bescheidene Leistungsniveaus andere Anwendungen auf relativ kleine Nischenmärkte wie Thermodruck, medizinische Anwendungen und ausgewählte Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Die 1990er Jahre: Optische Netzwerke sind vorherrschend. In den 1990er Jahren wurden Halbleiterlaser zum Schlüssel für Kommunikationsnetzwerke. Halbleiterlaser werden verwendet, um Signale über Glasfasernetzwerke zu übertragen, aber Single-Mode-Pumplaser mit höherer Leistung für optische Verstärker sind kritisch, um den Umfang von optischen Netzwerken zu erreichen und das Wachstum von Internetdaten wirklich zu unterstützen.

Der damit verbundene Aufschwung in der Telekommunikationsbranche ist weitreichend und nimmt Spectra Diode Labs (SDL), einen der ersten Pioniere der Hochleistungs-Halbleiterlaser-Industrie, als Beispiel. SDL wurde 1983 gegründet und ist ein Joint Venture von Spectraphysisphysis (Xinox), einer Lasermarke der Newport Group in den Vereinigten Staaten. Das Unternehmen wurde 1995 mit einem Marktwert von rund 100 Millionen US-Dollar gegründet. Fünf Jahre später wurde SDL für mehr als 40 Milliarden US-Dollar an JDSU verkauft, während die Spitzentelekommunikation eine der größten Technologie-Akquisitionen der Geschichte war. Kurz darauf platzte und zerstörte die Telekommunikationsblase Billionen von Dollar Kapital und gilt heute als größte Blase der Geschichte.

2000er Jahre: Laser werden zum Werkzeug. Obwohl der Zusammenbruch der Telekommunikationsmarktblase extrem zerstörerisch ist, haben die riesigen Investitionen in Hochleistungs-Halbleiterlaser die Grundlage für eine breitere Akzeptanz geschaffen. Mit zunehmender Leistungs- und Kostensteigerung haben diese Laser traditionelle Gaslaser oder andere Energieumwandlungsquellen in einer Vielzahl von Prozessen ersetzt.

Halbleiterlaser sind zu weit verbreiteten Werkzeugen geworden. Industrielle Anwendungen reichen von traditionellen Herstellungsprozessen (wie Schneiden und Schweißen) bis hin zu neuen fortschrittlichen Fertigungstechnologien (wie die additive Fertigung von 3D-gedruckten Metallteilen). Micro-Manufacturing-Anwendungen sind vielfältiger, da Schlüsselprodukte wie Smartphones durch diese Laser kommerzialisiert werden. Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen decken eine breite Palette von unternehmenskritischen Anwendungen ab und können in Zukunft auch gerichtete Energiesysteme der nächsten Generation umfassen.

Zusammenfassung

Vor mehr als 50 Jahren schlug Moore kein neues Grundgesetz der Physik vor, sondern verbesserte die integrierten Schaltkreise, die vor zehn Jahren untersucht wurden. Seine Prophezeiung dauerte Jahrzehnte und brachte eine Reihe von bahnbrechenden Innovationen mit sich, die 1965 undenkbar waren.

Als Hall vor über 50 Jahren Halbleiterlaser vorführte, löste dies eine technologische Revolution aus. Wie beim Mooreschen Gesetz kann niemand die schnelle Entwicklung der Helligkeit von Hochleistungshalbleitern vorhersehen, die durch eine Vielzahl von Innovationen erreicht wird.

Es gibt keine Grundregel in der Physik, um diese technologischen Verbesserungen zu kontrollieren, aber fortgesetzte technologische Fortschritte können die Helligkeit des Lasers voranbringen. Dieser Trend wird weiterhin traditionelle Technologien ersetzen und die Art und Weise, wie die Dinge entwickelt werden, weiter verändern. Wichtiger für das Wirtschaftswachstum werden Hochleistungs-Halbleiterlaser auch die Geburt neuer Dinge fördern.